Функции и структура процессоров

Процессор - основная часть компьютера, осуществляющая управление (эти возможности реализуются при помощи логических операций) и обработку данных.

Функции процессоров:

• Функции обработки

• Функции управления обработкой

• Функции хранения и передачи данных

• Функции управления передачей данных

• Функции поддержки интерфейса и операций ввода-вывода

 

Структура процессора, позволяющая реализовать его функции, включает в себя:

·устройство управления (УУ), дешифрирующее команды и вырабатывающее сигналы управления для блоков, выполняющих эти команды;

·арифметико - логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;

·блок регистров общего назначения (РОН), позволяющий выполнять операции с предельно высокой скоростью;

·блоки сверхоперативной памяти (Кэш 1-го уровня) для хранения команд и данных. Введение Кэш позволяет уменьшить количество обращений к оперативному запоминающему устройству компьютера для чтения последовательности команд и данных;

·блоки, осуществляющие интерфейс с памятью компьютера. Они обеспечивают связь с внешним оперативным запоминающим устройством или блоком быстрой памяти (Кэш 2-го уровня), устанавливаемым между процессором и оперативной памятью;

·системный интерфейс, который обеспечивает связь процессора с системными блоками компьютера и внешними устройствами (ВУ).

Структурная схема простейшего процессора.

 

Основные характеристики процессоров

Процессоры можно классифицировать по двум основным параметрам: разрядности и быстродействию. Быстродействие процессора -- Тактовая частота -- задает ритм жизни компьютера. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполнения одной операции и тем выше производительность компьютера. Она измеряется в мегагерцах (МГц); 1 МГц равен миллиону тактов в секунду.

Разрядность процессора -- параметр более сложный. В процессор входит три важных устройства, основной характеристикой которых является разрядность:

шина ввода и вывода данных; внутренние регистры; шина адреса памяти.

Производительность процессора является интегральной характеристикой, которая зависит от частоты процессора, его разрядности, а так же особенностей архитектуры (наличие кэш-памяти и др.). Производительность процессора нельзя вычислить, она определяется в процессе тестирования, т.е. определения скорости выполнения процессором определенных операций в какой-либо программной среде.

 

 

Организация и структура памяти ЭВМ.

Адресная память В памяти с адресной организацией размещение и поиск информации в ЗМ основаны на использовании адреса хранения единицы информации, которую в дальнейшем для краткости будем называть словом. Адресом служит номер ячейки ЗМ, в которой это слово размещается. При записи (считывании) слова в ЗМ инициирующая эту операцию команда должна указывать адрес (номер) ячейки, по которому надо произвести запись (считывание).

Ассоциативная память

В памяти этого типа поиск информации происходит не по адресу, а по ее содержанию. Под содержанием информации в данном случае понимается не смысловая нагрузка лежащего на хранении в ячейке памяти слова, а содержание ЗЭ ячейки

памяти, т.е. побитовый состав записанного двоичного слова.
В регистр маски записывается слово, разрешающее запрос по всем или только некоторым разрядам ассоциативного признака, применение маски позволяет сократить или расширить область поиска.
Поиск информации производится параллельно по всем ячейкам путем сравнения запроса с ассоциативным признаком каждой ячейки.
Результат поиска формирует специальная комбинационная схема, вырабатывающая сигналы, оповещающие об отсутствии слов, удовлетворяющих условиям поиска, о наличии только одного слова, о наличии нескольких слов, имеющих такой ассоциативный признак.
После формирования и обработки оповещающих сигналов схемой управления производится считывание необходимой информации. При записи отыскивается свободная ячейка по значению разряда занятости, в первую найденную свободную ячейку записывается информация.
Ассоциативная память наиболее быстродействующая, но очень дорогая, так как требует введения дополнительно схемы сравнения, позволяющей осуществить поиск, для каждой ячейки памяти. Поэтому такая память обычно не используется в чистом виде, а быстродействующие устройства памяти типа Кэш обычно выполняются как частично ассоциативные.

 

Рис.1. Организация

ассоциативной памяти.

 

 

Стековая память

Стековой памяти - память, образованная из связанных между собой ячеек памяти, в которых информация при записи в стек нового слова смещается вниз (Рис.2). Обмен информацией осуществляется только через верхнюю ячейку памяти. При считывании слов из стека, слово может удаляться из стековой памяти или сдвигаться по кольцу, в зависимости от организации стека. Режим чтения –последним вошел, первым вышел-называют LIFO (Last In First Out).

Аппаратная реализация такой памяти не всегда целесообразна и зачастую стековая память организуется в основной памяти компьютера программно, что позволяет изменять объем стека в зависимости от необходимости. При организации стека в основной памяти выделяется специальный адресный регистр – “указатель стека.”. В указателе стека находится адрес последнего записанного в стек слова. При записи слова в стек адрес вершины стека автоматически уменьшается, при чтении - автоматически увеличивается. Стековая память используется обычно для сохранения состояния текущей программы при обработке прерывания. После выполнения прерывающей программы состояние всех регистров, существовавшие в момент прерывания программы восстанавливается в последовательности, обратной последовательности записи. Можно сохранять в стеке и данные программы, это удобно тем, что при обращении к стеку не требуется указывать в программе адреса ячейки памяти, извлечение информации из стека так же происходит без указания адреса.

Рис.2. Организация стековой памяти.

 

Структура памяти ЭВМ

Как и большинство устройств ЭВМ, память имеет иерархическую структуру. Обобщённая модель такой структуры, отражающая многообразие ЗУ и их взаимодействие, представлена на рисунке.

Все запоминающие устройства обладают различным быстродействием и емкостью. Чем выше уровень иерархии, тем выше быстродействие соответствующей памяти, но меньше её емкость.

К самому высокому уровню – сверхоперативному – относятся регистры управляющих и операционных блоков процессора, сверхоперативная память, управляющая память, буферная память (кэш-память).
Регистровая память процессора Входит в состав ЦП (регистры управляющих и операционных блоков процессора) и предназначена для временного хранения информации. Она имеет малую ёмкость и наибольшее быстродействие.

Сверхоперативная память. Иногда в архитектуре ЭВМ регистровая память организуется в виде сверхоперативного ЗУ с прямой адресацией. Такая память имеет то же назначение как и РОН, служит для хранения операндов, данных и служебной информации, необходимой процессору.

Управляющая память предназначена для хранения управляющих микропрограмм процессора. Выполнена в виде постоянного ЗУ (ПЗУ) или программируемого постоянного ЗУ (ППЗУ). В системах с микропрограммным способом обработки информации УП применяется для хранения однажды записанных микропрограмм, управляющих программ, констант и т.п.

Буферная память. В функциональном отношении кэш-память рассматривается как буферное ЗУ, размещённое между основной (оперативной) памятью и процессором. Основное назначение кэш-памяти – кратковременное хранение и выдача активной информации процессору, что сокращает число обращений к основной памяти, скорость работы которой меньше, чем кэш-памяти.

На втором оперативном уровне, более низком, находится оперативная память (ОП), служащая для хранения активных программ и данных, то есть тех программ и данных, с которыми работает ЭВМ.

На следующем более низком внешнем уровне размещается внешняя память.

Внешняя память (ВнП) используется для хранения больших массивов информации в течении продолжительного времени. Обычно ВнП не имеет непосредственной связи с процессором. Обмен информацией носит групповой характер, что значительно сокращает время обмена. ВнП обладает сравнительно низким быстродействием (поиск информации). В качестве носителя используются магнитные диски (гибкие и жёсткие), лазерные диски (CD-ROM) и др.

Рис. 1. Иерархическая структура памяти